나노기술 및 정책 정보

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중국과학기술대학교 위숭훙(兪書宏) 교수 연구팀은 최근 관련 연구를 통해 일종 신형 나노 셀룰로오스 바이오닉스 구조를 보유하고 있는 신소재 제조 방법을 개발하고 일종 천연 나노 셀룰로오스 고성능 구조를 보유하고 있는 신소재 개발에 성공하여 이슈가 되고 있는 상황임.

연구팀은 이번 연구를 통해 개발한 천연 나노 셀룰로오스 고성능 구조를 보유하고 있는 신소재는 경량 고강도 우수 성능을 보유하고 있을 뿐만 아니라 성능이 항공 알루미늄 합금과 철강을 초월하는 동시에 밀도가 철강의 1/6 수준에 달하고, 알루미늄 합금의 1/2에 달하는 것으로 나타났음.

연구팀이 개발한 천연 나노 셀룰로오스 고성능 구조를 보유하고 있는 신소재의 경량 고강도 특징은 주로 소재의 마이크론 레벨 층상(層狀) 구조와 나노 3차원 네트워크 구조 디자인에 의해 생성되는데 셀룰로오스 나노 섬유 내부의 높은 결정은 극히 높은 강도를 제공할 수 있으며, 섬유 사이에 대량의 수소 결합(hydrogen bond) 등 가역(可逆) 상호 역할 네트워크와의 결합을 통해 외부 역량 역할 하에서 고밀도의 가역 상호 역할 네트워크는 신속히 분리되고 재구성되어 대량의 에너지를 흡수하며, 소재로 하여금 높은 강도와 높은 강인성을 보유하도록 하여 전통 구조 소재가 높은 강도와 높은 강인성을 동시에 보유할 수 없는 문제를 극복할 수 있도록 한데 그 원인이 있음.

연구팀이 개발한 천연 나노 셀룰로오스 고성능 구조를 보유하고 있는 신소재는 극히 높은 사이즈 안정성과 열 충격에 대한 저항 성능을 보유하고 있으며, -120℃에서 150℃ 온도 범위 내에서 열팽창 계수는 극히 낮고, 온도가 100℃로 변화된다 해도 5/10,000 이내 수준이 되며, 120℃와 –196℃ 사이 반복되는 강열한 열 충격 순환 측정 테스트 하에서 역학 성능과 사이즈는 여전히 높은 안정성을 유지하는 것으로 나타났음.

그 외, 연구팀이 개발한 천연 나노 셀룰로오스 고성능 구조를 보유하고 있는 신소재는 극히 강한 충격 저항 성능, 높은 손상 수용 한계 및 높은 에너지 흡수 성능을 보유하고 있는 것으로 나타났는데 "분리식 홉킨슨 로드(split Hopkinson lever)"의 초고속 충격 실험 결과 동 신소재는 고속으로 달리는 자동차와의 고속 충격 하에서도 초고(超高) 압력 저항 강도를 보유하고 있는 것으로 나타났는데 그 주요 원인은 신소재 내부의 3차원 나노 셀룰로오스 네트워크가 고속 충격을 받을 때 미끄러지는 상황이 발생하여 나노 셀룰로오스 간의 대량의 수소 결합이 신속한 분리와 재구성을 발생시키기 때문에 충격 동력 에너지를 흡수하여 열량을 전환시키는데 있음.

연구팀이 개발한 신소재는 합금 소재를 대체하는 신소재가 될 것으로 전망되며, 동 신소재는 경량화 충격 저항 및 완충 소재, 우주 분야 소재, 정밀 기기 구조 부품 소재 등 분야에서 폭넓게 응용 될 것으로 전망됨.

본 연구 성과는 ‘Science Advances’ ("Lightweight, tough, and sustainable cellulose nanofiber-derived bulk structural materials with low thermal expansion coefficient")지에 게재됨.